W波段InAlN MOS-HEMT材料製備及物性研究

《W波段InAlN MOS-HEMT材料製備及物性研究》是依託西安電子科技大學，由張金風擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：W波段InAlN MOS-HEMT材料製備及物性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張金風
• 依託單位：西安電子科技大學

中文摘要

W波段InAlN/GaN HEMT器件中，柵長減小到幾十納米，為了使器件等比例縮小，同時抑制短溝道效應和柵漏電，InAlN/GaN異質結材料結構需要引入AlGaN或InGaN背勢壘結構，將勢壘層減薄到10nm以下，並採用MIS柵結構。不僅材料尺寸和結構要合理，頻率性能還與材料缺陷和陷阱態密切相關，對材料和介質製備提出很高的要求。本項目將採用我們提出的增強氮化物材料的原子結合和二維生長模式的脈衝MOCVD方法實現高質量InAlN勢壘層的生長，探索新型複合AlGaN背勢壘結構對InAlN/GaN異質結生長和物性的影響機理，研究表面介質對材料的表面狀態、輸運性質和器件的柵漏電、瞬態特性等的影響機理，最終獲得柵溝距離（即介質和勢壘層總厚度）低於10nm、室溫和600K遷移率分別高於1400和400cm2/Vs、MIS電容反向漏電流低於1mA/cm2、適用於W波段的InAlN MOS-HEMT材料。

結題摘要

本項目是在氮化物半導體以AlGaN/GaN異質結為主要結構顯示了強大的微波功率放大能力，InAlN/GaN異質結因為高頻套用潛力巨大而快速發展的國際研究態勢下獲得資助開始研究的。針對高頻功率氮化物高電子遷移率電晶體（HEMT）材料所要求的低緩衝層漏電（削弱短溝道效應）、高載流子濃度和高遷移率（提供高電流）、低柵漏電（提高擊穿電壓）等要求，以及項目組的前期研究積累，本項目提出並開展了AlGaN複合背勢壘緩衝層生長和結構最佳化、脈衝金屬有機物化學氣相澱積（MOCVD）方法生長高性能InAlN/GaN異質結、表面介質對InAlN/GaN 異質結材料性能的影響等研究，獲得了預期的研究結果。InAlN/GaN異質結勢壘層厚度為7~18 nm時遷移率＞1400 cm2/Vs；實現了低漏電高結晶質量的複合AlGaN 背勢壘結構，基於該背勢壘的 InAlN/GaN異質結在300–573 K變溫霍爾測試中具有穩定的二維電子氣（2DEG）密度，573 K遷移率達493cm2/Vs。在InAlN/GaN異質結構表面採用原子層澱積（ALD）法澱積5nm的Al2O3和HfO2，發現高K介質顯著提高了2DEG密度，而對方塊電阻和遷移率的影響很微弱；HfO2改善表面形貌和提高電學特性的效果更顯著；勢壘層越薄，高K介質對其電學特性的提高越顯著。表面電勢和異質結能帶結構的變化是高K介質提高InAlN/GaN異質結的2DEG電荷密度的主要因素。同時，開展了若干相關研究，獲得了高輸運特性InGaN溝道異質結材料，室溫霍爾遷移率1681 cm2/Vs，刷新了InGaN溝道異質結的遷移率記錄；建立了AlInGaN/GaN異質結中二維電子氣受到的四元合金無序散射的物理模型，揭示了近年來AlInGaN/GaN HEMT遷移率大幅提高的原因；改進了GaN HEMT常規的三端擊穿表征方法，可獲得緩衝層和柵極-漏極泄漏電流，等等。項目研究成果將對氮化物高頻功率器件的研究提供材料和物理機理上的有力支持。